Скачиваний:
49
Добавлен:
12.01.2016
Размер:
155.65 Кб
Скачать

ПРЕДМЕТ И МЕТОД ТЕРМОДИНАМИКИ

Химическая термодинамика

Термодинамика представляет собой научную дисциплину, которая изучает: 1)переходы энергии из одной формы в другую, от одной части системы к другой; 2)энергетические эффекты, сопровождающие различные физические или

химические процессы, их зависимость от условия протекания процессов; 3) возможность, направление и пределы протекания самопроизвольного (т.е. без затраты энергии извне) течения сами процессов в заданных условиях.

Термодинамика базируется на нескольких постулатах, называемых законами (принципами) термодинамики. Наибольшее значение имеют первый и второй законы термодинамики.

Обычно принято различать общую (или физическую) термодинамику, техническую термодинамику и химическую термодинамику.

В общей термодинамике излагаются теоретические основы термодинамики и их приложение преимущественно к физическим явлениям (свойства твердых, жидких и газообразных тел, электрические и магнитные явления, излучение и т.д.).

Втехнической термодинамике рассматриваются приложения основных законов термодинамики к процессам взаимного превращения теплоты и работы; главной ее целью является разработка теории тепловых двигателей для их рационального проектирования и совершенствования.

Вхимической термодинамике изучается применение законов термодинамики к химическим и физико-химическим явлениям.

Вней рассматриваются главным образом следующие вопросы:

1.Составление тепловых балансов процессов, включая тепловые эффекты физических изменений и химических процессов.

2.Расчеты фазовых равновесий.

3.Расчеты химических равновесий.

Знание законов, которым подчиняются химические и физические равновесия, позволяет решать многие важнейшие задачи, встречающиеся в научно- исследовательской работе и производственной практике.

К ним относятся:

1.Определение условий, при которых данный процесс становится возможным. 2.Установление устойчивости изучаемого вещества или системы в тех или иных условиях.

3.Выбор оптимального режима процесса (температуры, давления, концентрации реагентов).

4.Выяснение, каким путем можно уменьшить или даже избежать образования нежелательных веществ, т.е. подавить или устранить побочные реакции, и т.д.

Например, восстановление оксида железа в доменном процессе можно представить суммарным уравнением

Fe3O4 + 4CO = 3Fe + 4CO2

Отходящие газы содержат много оксида углерода. Причиной неполноты восстановления считалось недостаточное время соприкосновения угля с рудой, поэтому стали строить высокие печи, однако результаты оказались отрицательными. Позднее термодинамическим расчетом было установлено, что эта реакция в условиях доменной печи не идет до конца и значительное содержание оксида углерода неизбежно.

Другой пример – процесс перехода графита в алмаз. В конце XIX века были предприняты безуспешные попытки получения искусственного алмаза из графита. Однако, после того как удалось определить термодинамические свойства графита и алмаза, выяснилось, что попытки получения алмаза были сделаны в условиях, в которых более устойчивой модификацией является графит.

Основные понятия и определения

Термодинамической системой (или просто системой) называют тело или группу тел, находящихся во взаимодействии, и отделенных физическими границами раздела или мысленно от других тел, которые образуют внешнюю среду.

В зависимости от связи системы со средой различают несколько видов систем.

Система называется изолированной, если она не обменивается веществом и энергией с окружающей средой, объем системы постоянный.

Система называется замкнутой, если для нее возможен обмен энергией со средою, но невозможен обмен веществом.

Если указанные ограничения отсутствуют, т.е. возможен обмен веществом и энергией, то система является открытой.

Иногда выделяют биологические системы, которые имеют оболочки, но обмениваются с внешней средой веществом и энергией.

Гомогенной называется такая система, внутри которой нет поверхностей раздела, отделяющих различные части системы, а термодинамические свойства одинаковы во всем объеме.

Гомогенная система может быть однородной или неоднородной.

Воднородной системе состав, температура, давление и все другие свойства во всех точках объема одинаковы.

Внеоднородной системе свойства непрерывно меняются от точки к точке – например, если нагревать металлический стержень с одной стороны, температура будет изменяться вдоль стержня.

С течением времени при отсутствии внешних воздействий свойства выравниваются и система становится однородной.

Если система состоит из нескольких частей с различными свойствами и отделенных друг от друга физическими поверхностями, то она называется

гетерогенной.

Совокупность всех гомогенных частей системы с одинаковым cоставом и свойствами и отграниченных от других частей некоторыми поверхностями раздела, называют фазой.

Например, система, состоящая из жидкой воды и льда, имеет две фазы – жидкая вода и лед, независимо от того находится ли лед в виде одного или нескольких кусков. Любая гомогенная система представляет собой одну фазу, гетерогенная же система состоит из двух или большего числа фаз.

Совокупность физических и химических свойств системы характеризуют ее состояние.

Различают свойства экстенсивные, количественно пропорциональные массе (вес, объем, общая энергия, общая теплоемкость и т.п.), и свойства интенсивные, численно независимые от массы (температура, давление, концентрация, удельные и мольные величины).

Поскольку интенсивные величины не зависят от количества вещества и одинаковы для всей системы и для любой ее конечной части, то состояние системы характеризуют совокупностью ее интенсивных свойств, которые называются

термодинамическими параметрами состояния (температура, давление, концентрация и др.).

В качестве параметра состояния используется также объем, который является экстенсивной величиной. Но если вместо общего брать мольный или удельный объем, то он уже не будет зависеть от массы системы.

Равновесным называют такое состояние системы, которое может сохраняться неизменным сколь угодно долго, если внешние условия не изменяются.

Любое изменение одного или нескольких параметров состояния называют процессом. Так как термодинамические параметры характеризуют лишь данное ее состояние и никак не связаны с предшествующими, то при переходе системы из одного состояния в другое изменение ее свойств не зависит от пути перехода (процесса), а определяется лишь начальным (1) и конечным (2) ее состояниями.

Величины Х, изменение которых Х в любом процессе зависит лишь от исходного и конечного состояний системы, называются функциями состояния:

Х = Х2 Х1.

Все функции состояния являются однозначными, непрерывными и конечными.

Если система, выйдя из некоторого начального состояния, после ряда изменений снова возвращается в это же состояние, т.е. совершает круговой процесс (цикл), то в конце цикла она имеет те же свойства, что и в исходном состоянии.

Свойства, определяющие состояние системы, связаны друг с другом и изменение одного из них влечет изменение других. Эта взаимосвязь выражается определенной функциональной зависимостью термодинамических параметров, которая называется уравнением состояния:

f(р, V, T, c, ...) = 0.

Примером уравнения состояния может служить уравнение Менделеева – Клапейрона для идеальных газов:

pV = nRT.

Соседние файлы в папке фз-хим